(57)【要約】  本発明の相変化冷却器は、発熱体から受ける熱によって冷媒を液体から蒸気へ相変化させる複数の受熱部と、周囲に放熱することによって冷媒を蒸気から液体へ相変化させる１つの放熱部と、前記各受熱部から前記放熱部へ蒸気状の冷媒をそれぞれ輸送する複数の蒸気管と、前記放熱部から前記各受熱部へ液体状の冷媒をそれぞれ還流する液体管と、前記各受熱部を互いに接続するバイパス管とを備える。
2011122332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体から受ける熱によって冷媒を液体から蒸気へ相変化させる複数の受熱部と、
周囲に放熱することによって冷媒を蒸気から液体へ相変化させる１つの放熱部と、
前記各受熱部から前記放熱部へ蒸気状の冷媒をそれぞれ輸送する複数の蒸気管と、
前記放熱部から前記各受熱部へ液体状の冷媒をそれぞれ還流する液体管と、
前記各受熱部を互いに接続するバイパス管と、を備える相変化冷却器。
【請求項２】
前記各蒸気管の長さが、前記各受熱部毎に相違する請求項１に記載の相変化冷却器。
【請求項３】
前記液体管は、前記放熱部に１箇所で接続される一端部と、前記各受熱部にそれぞれ接続される分岐した複数の分岐部を有する他端部とを有する請求項１又は２に記載の相変化冷却器。
【請求項４】
前記受熱部が２つであって、各受熱部から延びる前記各蒸気管が、前記放熱部を形成する相対向する２つの面にそれぞれ接続される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の相変化冷却器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の相変化冷却器を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び電子機器の冷却に関する。本発明は、特に相変化現象を利用して冷媒を循環させる半導体冷却装置及びこれを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や電子機器で発生する大量の熱を伝えるために、半導体外部に高い熱伝導率を持つ材料を接着し、吸熱器としてその内部に冷媒を流すことにより、高い冷却性能を得ようとする方法が開発されている。吸熱器で冷媒を沸騰させることで、より高い冷却効果を得ようとする方法も開発されている。冷媒が奪った熱を外部に放出するためには、冷媒を吸熱部と放熱部のあいだで循環させる必要がある。一般的には、冷媒の循環にポンプが用いられている。
沸騰冷却式の場合、発生する蒸気と液体の密度差により、蒸気が重力方向に対して上部に集まる原理を利用して、冷却器下部に吸熱部、上部に放熱部を設置することで、ポンプを必要としない、サーマルサイフォン式冷却構造も提案されている。例えば特許文献１や特許文献２には、この冷却構造が開示されている。特許文献１は、パワー半導体の冷却のためのサイフォン式沸騰冷却器として提案している。この沸騰冷却器は、ポンプが要らないほかに、吸熱部と放熱部を比較的一体で形成した構造を特徴としている。この沸騰冷却器では、発熱体に接する吸熱部の構造と放熱部と冷媒の循環経路を一体として成型する必要がある。そのため、この沸騰冷却器は、電子部品向けに小型化すると高価になり、汎用的に使うことは難しい。【０００３】
特許文献２は、凝縮器を沸騰部より上方に設置することにより、サイフォン効果を生みだし、冷媒の循環を行う方式を提案している。ところが、電子装置においては、その内部のレイアウトにより必ずしも上方に配管を延長し凝縮部を設置することが出来ない。また、凝縮部に接続される配管を蒸発部より鉛直上方に設置した場合、配管内での凝縮が起きることは避けられない。この場合、管内部に液膜が形成され重力により沸騰部に戻ろうとする流れが発生する。これは、凝縮部に向かう蒸気の抵抗になるばかりでなく、蒸気経路の断面積を縮小させ、圧力損失を生む。この結果、凝縮部の性能がいかされないだけでなく、冷却器としての運転が不安定になる。さらに、最悪の場合、蒸発部のドライアウトが誘発されるおそれがある。【０００４】
特許文献３に開示の構造は、特許文献２に開示の構造と同様である。すなわち特許文献３の構造においても、凝縮部が蒸発吸熱部の鉛直上方に設けられているため、上記特許文献２で説明したような不安定要因がある。特許文献３の構造は、凝縮部から蒸発部そして凝縮部へと向かう冷媒流路を配管１本を折り曲げて形成しているため、安価にできる可能性はある。しかしながら、このような構造は、液相、気相両方の冷媒の流れにとって適当ではない。また、蒸発部では発熱面全体での受熱が行われない。【０００５】
特許文献４は、この課題を解決するために、配管を２層構造にして、液相流路と気相流路を分離する構造を提案している。この構造により、放熱部を受熱部から離して設置できる特徴は維持しつつ、冷媒の循環特性を向上させることが出来る。すなわち、放熱部と受熱部と間の圧力損失を低減させることができ、冷却特性の改善につながる。上記の提案はいずれも、電子機器内部に支配的な消費電力をもった素子がある場合に魅力的な冷却方法である。しかしながら、複数の発熱素子がある場合には、これらの冷却器が複数必要となる。【０００６】
特許文献５は、相変化を利用した冷却器であって、複数の発熱部品を冷却する構造を提案している。冷却対象の素子の数だけ受熱部が用いられ、それらと放熱部は直列の流体回路で構成されている。この構造においては、上流側の発熱素子からの受熱によって気化した冷媒が下流側素子の受熱部を通過する。下流側素子の冷却には液相冷媒が下流側に供給される必要があるため、ポンプを使って強制的に冷媒を循環させる構造が提案されている。ポンプを使うことにより、例えば発熱量に応じて流量を変化させることが可能となる。しかしながら、冷却構造としては、複雑で高価になる。さらに、液相冷媒が強制的に供給されているために、受熱部での素子から冷媒への熱移動は、相変化を伴わない液冷と相変化を伴う沸騰冷却が混在する。沸騰冷却のほうが、伝熱特性が高い。このため、沸騰冷却の比率を大きくすることが性能向上のために望ましい。そのために、特許文献５では、受熱部へ流入する直前の冷媒を、加熱し相変化しやすい状態にすることを特徴としている。加熱のための構造は冷却器の構造をさらに複雑で高価する。さらに、放熱部への負荷が必要以上に大きくなることが課題となる。【０００７】
特許文献６は、複数の発熱素子を対象とする冷却器を提案している。この冷却器は、それぞれの発熱素子の冷却を最適化するために、放熱部で冷やされた冷媒を、並列に設置された配管を通じてそれぞれの受熱部に供給する構造となっている。この冷却器においては、液冷式を想定しており、冷媒の循環は並列に設置された回路それぞれに必要となる。冷媒は一つに集約された放熱部に還流する。放熱部は回収された熱の全量を放熱するように設計されるが、放熱効率は集約せずに放熱する場合に比べて悪くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】日本国特許第４０２６０３９号公報（図１）
【特許文献２】日本国特開２００２−１６８５４７号公報（第６−７頁、図１、図２、図３）
【特許文献３】日本国特開２００５−１９５２２６号公報（第１３−１７頁）
【特許文献４】日本国特許第３９２４６７４号公報（図１）
【特許文献５】日本国特開２００９−２６７１８１号公報（図１）
【特許文献６】日本国特開２００７−３３５６２４号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、特許文献１から６に開示された冷却装置にはいくつかの問題がある。第１の問題点は、冷却器の小型化の問題である。電子機器内部は高密度に電子部品が実装され、この傾向は近年特に顕著である。限られた装置内容積に対して、放熱器の占める割合は大きい。伝熱効率の高い沸騰・凝縮方式の冷却器であれば、受熱部・放熱部の小型化が可能である。但し、受熱・放熱一体型の冷却器では、放熱フィンが部品近傍に大きな容積を必要とする。【００１０】
特許文献２や特許文献３は、受熱部と放熱部を分離することで、放熱部は発熱部品近傍から離れて設置することが出来る。そのため、上記の問題を解決できるかもしれない。すなわち、放熱部は例えば装置排気口近傍に設置することが可能となり、少なくとも部品実装領域の小型化の可能性が高くなる。ただし、第２の問題点として、絶対的な容積は、受熱部と放熱部が分離されただけでは変化しない。すなわち、受熱部と放熱部がそれぞれ対になった沸騰冷却器においては、複数部品の冷却に際して、その個数分だけ放熱面積が必要になる。例えば、４つのＣＰＵを搭載したサーバー機器において、外気に対する放熱部は４つのＣＰＵ分必要になる。その結果、ＣＰＵ１つを搭載した装置と比較して、４倍の放熱面積とそのための容積が必要となる。【００１１】
第３の問題点は、放熱部が、発熱部の数だけ求められることである。しかも、放熱面積や放熱部の体積は、それぞれの発熱部が最大発熱量で稼動した場合に対応できるよう設計される。このため、発熱部の数に比例するように放熱部を設置する体積を確保する必要がある。従来技術として、放熱部を一体化するような試みがある。例えば、特許文献６では、受熱部を並列に設置することにより、ポンプも二台必要になっている。また、ほかの従来技術として、受熱部を直列に接続することにより、ポンプを一台で済ませている。しかしながら、この構造においては、放熱部の内部に仕切りを設けることでそれぞれの受熱部からの熱を放熱するにとどまる。これらの解決法は、複数の発熱体を冷却する場合、単純にポンプの下流において流路を分岐させるだけでは、流量の管理が難しいことを示している。【００１２】
第４の問題点は、冷却ファンについても発熱部の数だけ求められることである。発熱部、すなわち放熱部に対応したファンがあることで、例えばそれぞれに対応するＣＰＵの稼働状況に合わせてファンを動作させることが出来る。これは、騒音低減や消費電力抑制の観点で有効である。その一方で、放熱部の数だけファンが必要になり、コスト低減には寄与しない。【００１３】
放熱部を集約すれば、上記の問題は解決できる。しかしながら、第５の問題点として、放熱特性の悪化の可能性が生じる。例えば、素子１つの冷却する場合と素子２つの冷却する場合とを比較すると、発熱量に応じて放熱面積を増加させることで、冷却特性を維持できる。発熱量が同じなら、２倍の放熱面積が必要になる。流量も２倍となり、流量を制御するポンプも２台となるため、放熱部集約の効果は、放熱用ラジエータが1台、ファンが１台削減される程度である。【００１４】
本発明は、このような事情を考慮してなされた。本発明の目的の一例は、複数の発熱体としての電子部品や半導体を搭載する電子機器において、ある１つの電子部品等で稼動率が高い場合でも、その電子部品を確実に冷却する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の相変化冷却器は、発熱体から受ける熱によって冷媒を液体から蒸気へ相変化させる複数の受熱部と、周囲に放熱することによって冷媒を蒸気から液体へ相変化させる１つの放熱部と、前記各受熱部から前記放熱部へ蒸気状の冷媒をそれぞれ輸送する複数の蒸気管と、前記放熱部から前記各受熱部へ液体状の冷媒をそれぞれ還流する液体管と、前記各受熱部を互いに接続するバイパス管とを備える。【００１６】
このような構成によれば、熱交換部に接続された複数の蒸気管を通じて、それぞれ受熱部での受熱量に応じて、蒸気が熱交換部に流入する。凝縮した液相冷媒は、熱交換部の重力方向下部に設置された一本から受熱部の数に対応した液体管を通じて、受熱部に還流する。冷媒の受熱部への供給量は、気化して失われた分に相当する。必要な液量が、能動的な液体駆動装置なしに、自給的に供給される。また、ある１つの部品の稼働率が高い状態の場合、その部品から熱を受けて多くの冷媒が気化する受熱部に対しては、液体管から冷媒が供給されるだけでなく、バイパス管を介して近接する受熱部からも冷媒が供給される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る相変化冷却器によれば、ある１つの部品の稼働率が高い状態の場合、その部品から熱を受けて多くの冷媒が気化する受熱部に対しては、液体管から冷媒が供給されるだけでなく、バイパス管を介して近接する受熱部からも冷媒が供給される。従って、稼働率の高い部品をより確実に冷却することができる。【００１８】
また、本発明に係る相変化冷却器によれば、放熱部の数を受熱部の数より少なくでき、装置全体の観点からの冷却構造の小型化・簡易化がはかれる。たとえば、複数の受熱部からの蒸気を1箇所の放熱部にまとめることで、部品点数の減少による低コスト化を図れるだけでなく、放熱部を構成するファンの台数の減少による省電力化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る相変化冷却器を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る相変化冷却器を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る相変化冷却器を示す概略正面図である。
【図４】本発明の実施形態による相変化冷却器を搭載した電子機器を示す概略平面図である。
【図５】図１に示す相変化冷却器を搭載した電子機器を示す概略縦断面図である。
【図６】図１に示す相変化冷却器の受熱部の構成を示す概略縦断面図である。
【図７Ａ】図６に示す受熱部を構成する側壁部を示す概略平面図である。
【図７Ｂ】図７ＡのＡ−Ａ線に沿った側壁部を示す断面図である。
【図８Ａ】図６に示す受熱部を構成する天板を示す概略平面図である。
【図８Ｂ】図８ＡのＢ−Ｂ線に沿った天板を示す断面図である。
【図９Ａ】図６に示す受熱部を構成する底板を示す概略平面図である。
【図９Ｂ】図９ＡのＣ−Ｃ線に沿った底板を示す断面図である。
【図１０Ａ】図６に示す受熱部の断面形状を略矩形にした場合における側壁部を示す概略平面図である。
【図１０Ｂ】図１０ＡのＤ−Ｄ線に沿った側壁部を示す断面図である。
【図１１Ａ】図６に示す受熱部の断面形状を略矩形にした場合における底板を示す概略平面図である。
【図１１Ｂ】図１１ＡのＥ−Ｅ線に沿った底板を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１に示す放熱部を示す概略正面図である。
【図１２Ｂ】図１２ＡのＦ−Ｆ線に沿った放熱部を示す断面図である。
【図１３】２つのＣＰＵを搭載したワークステーションにおける図１の相変化冷却器の評価結果を示すグラフである。
【図１４Ａ】本発明の第２実施形態に係る相変化冷却器を示す概略正面図である。
【図１４Ｂ】本発明の第２実施形態に係る相変化冷却器を示す概略平面図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る相変化冷却器を示す概略平面図である。
【図１６Ａ】本発明の第４実施形態に係る相変化冷却器を示す概略平面図である。
【図１６Ｂ】本発明の第４実施形態に係る相変化冷却器を示す概略正面図である。
【図１７Ａ】本発明の第５実施形態に係る相変化冷却器を示す概略平面図である。
【図１７Ｂ】本発明の第５実施形態に係る相変化冷却器を示す概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の第１実施形態に係る相変化冷却器の構成について説明する。図１〜図３は、本実施形態の相変化冷却器１０の構成を示す。図１は、相変化冷却器１０の概略斜視図である。図２は、図１に示す相変化冷却器１０の概略平面図である。図３は、図１に示す相変化冷却器１０の概略正面図である。
【００２１】
図１は、２つの受熱部１１と１つの放熱部１２を有する本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却器１０を示す。
図４及び図５に示すように、受熱部１１の下部には、熱伝導性グリースや放熱シートなどを介して、基板Ｋの上に設けられた電子部品Ｄが設置されている。熱的な接続を維持するために、受熱部１１はネジＮで基板Ｋの上に固定されている。このとき、固定構造にばね性を持たせることで、受熱部１１と電子部品Ｄとの間に接地圧力が発生することが好ましい。図４には、後述する第２実施形態における、受熱部１１を互いに接続するバイパス管が示されている。
この接地圧力は、部品の規格を超えないように、１００ｋＰａから１ＭＰａ程度の圧力とすることが好適である。
【００２２】
受熱部１１は、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの金属で作られた中空のチャンバーである。図６は、受熱部１１を示す概略断面図である。受熱部１１は、側壁部１１１（図７Ａ、図７Ｂ参照）と、天板１１２（図８Ａ、図８Ｂ参照）と、底板１１３（図９Ａ、図９Ｂ参照）とを備えている。側壁部１１１は、略円筒形状である。天板１１２は、略円形であり、側壁部１１１の一端側開口を覆うように設けられている。底板１１３は、略円形であり、側壁部１１１の他端側開口を覆うように設けられている。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、側壁部１１１を貫通して液流入口１１１ａが形成される。図８Ａおよび図８Ｂに示すように、天板１１２を貫通して蒸気流出口１１２ａが形成されている。図９Ａおよび図９Ｂに示すように、底板１１３には、そのチャンバー内側面に、冷媒Ｒへの伝熱性を良くするためのフィン１１３ａが複数設けられている。図９Ａおよび図９Ｂに詳細は示さないが、底板１１３のチャンバー内側面には、液や蒸気の流れを制御するための流路が形成されていてもよい。発生した気泡の剥離がフィン１１３ａや流路に邪魔されないように、フィン１１３ａの間隔、流路壁間の距離は、概ね１ｍｍから数ｍｍ以上を確保するとよい。底板１１３のチャンバー内側面の表面は、気泡の発生の核となるように、サンドブラストなどで数１０ｍｍから数１００ｍｍレベルの粗さにすることが好ましい。この構造により、気泡が発生する際の核の数が増える。受熱部１１の断面形状は円筒形状に限定されず、適宜設計変更が可能である。図１０Ａから図１１Ｂは、受熱部１１の断面形状を略矩形にした場合の側壁部１１１と底板１１３の構成を示す。
【００２３】
受熱部１１の底板１１３は、発熱素子に接するために熱伝導性の高い材料を用いて形成することが望ましい。銅およびアルミニウムは高い熱伝導率を持つ汎用される金属である。このため、これらの材料を用いて、発熱素子に接する面から流動制御突起１１３ｂまでを一体として形成することが望ましい。流動制御突起１１３ｂを設けた第一の目的は、液相冷媒Ｒを沸騰面表面に均一に分布させることである。常に沸騰を続けるために必要な液体の供給を行いつつ、高発熱時に液相がなくなるドライアウトを底部全体に広がるのを防ぐ効果がある。有機系の冷媒Ｒを用いた場合、一般に水よりも表面張力が小さく、沸騰時に形成する泡の径が１．０ｍｍ前後である。このような場合には、流動制御突起１１３ｂ間距離を極端に狭く泡の径以下にすることは望ましくない。流動制御突起１１３ｂ間距離は、泡の径程度かそれ以上にすることが望ましい。流動制御突起１１３ｂの第二の目的は放熱面積を拡大させることである。表面積が広いほど放熱量も大きくできることを考えると、流動制御突起１１３ｂ間の距離を大きくとりすぎると、形成できる流動制御突起１１３ｂの数が限定されてしまう。流動制御突起１１３ｂ内部を通過する熱量は、突起の厚みに依存する。流動制御突起１１３ｂを厚くすればより多くの熱が流れる。しかしながら、流動制御突起１１３ｂを厚くしすぎると放熱面積が限定されてしまう。これらの点を踏まえると、以下の条件を満たすように流動制御突起１１３ｂを形成することが最良である。すなわち、流動制御突起１１３ｂ間距離を１．０ｍｍ程度に設定する。流動制御突起１１３ｂの厚みを１．０から２．０ｍｍ程度に設定する。流動制御突起１１３ｂの高さを１．０から５．０ｍｍ程度に設定する。これらミリスケールで、アスペクト比が１：５程度の流動制御突起１１３ｂ構造であれば、切削で製造することが良好な方法の一つである。受熱部１１内部の流動制御突起１１３ｂと底板１１３とを一体で形成すると、両者を別々に形成して合体する場合に比べてそれらの接続部に生じる熱抵抗を少なくすることができる。図６は、流動制御突起１１３ｂと底板１１３とを一体として形成した場合の例を示す。
【００２４】
受熱部１１の内部では、電子部品Ｄからの熱により冷媒Ｒが相変化し、蒸気が生成される。この蒸気は、図１に示す受熱部１１の上部の蒸気管１３を通り、ラジエータである放熱部１２の上部に向かう。放熱部１２の上部には、もう１つの受熱部１１と接続する蒸気管１３も接続されている。放熱部１２の中央部には、コルゲートタイプの放熱フィン１２１が形成されている。放熱フィン１２１間を通過する空気により、熱が放散される。空気の流れは、図３に示す軸流ファン１２２により放熱フィン１２１間に均等に冷却風として供給される。軸流ファン１２２の直径は約１２０ｍｍで、放熱部１２の断面サイズとほぼ同じである。
【００２５】
放熱部１２の上部には、複数の蒸気管１３が接続されている。複数の蒸気管１３を介して複数の受熱部１１からの蒸気がそれぞれ放熱部１２に運ばれる。複数の蒸気管１３は、放熱部１２の上部であって冷却風が排出される側の面に、均等な間隔で接続されることが望ましい。例えば、図１に示すように、複数の蒸気管１３を、放熱部１２の長辺側の側面に均等にならべてもよい。図に詳細は示さないが、放熱部１２の短辺側の左右両側面に２本の蒸気管１３をそれぞれ接続させもよい。密度が比較的低い蒸気が流れる蒸気管１３は、その直径を大きくして、蒸気通過時の圧力損失が最小限になるようにすることが望ましい。
【００２６】
図１に示すように、放熱部１２の下部には複数本の液体管１４の一端が接続されている。また、各液体管１４の他端が各受熱部１１にそれぞれ接続されている。この液体管１４の管径は、蒸気管１３の管径に比べて小さい。冷却器全体が定常状態にあるとき、質量ベースの流量はどこも同じであるが、体積ベースの流量は大きく異なる。これは、液体と気体では密度が大きく変化するためである。受熱部１１へと接続される液体管１４の径が小さいことは、蒸気の混入を防ぐ意味でも効果がある。その結果、逆流を防ぐ、もしくは逆流が生じてもその影響を最低限に抑えることができる系を、逆止弁なしに実現することができる。
【００２７】
次に、本発明の実施形態に係る相変化冷却器１０の望ましい構造について補足説明する。また、相変化冷却器１０の製造方法の概要を説明する。図６に示すように、熱伝導性の高い材料（銅、アルミニウム）を用いて、側壁部１１１を作成する。この側壁部１１１にネジ山の刻設された凝縮液流入部１１１ｂを螺着させる。次に、底板１１３と側壁部１１１とをロウ付けなどの手段により接合する。以上の工程により、受熱部１１の本体を形成する。次に、同じく熱伝導性の高い材料を用いて形成した図８Ａおよび図８Ｂに示す天板１１２を、受熱部１１の本体とロウ付けなどの手段により接合して受熱部１１を作成する。天板１１２は、予め蒸気流出部１１２ｂと一体として形成しておく。あるいは、天板１１２には、ネジ山の刻設された蒸気流出部１１２ｂを螺着しておく。ロウ付けにて各部を接合することにより、沸騰時の圧力変動に耐えうる密閉構造の受熱部１１を得ることができる。
【００２８】
放熱部１２は、図１２Ａに示すように、主として放熱部ヘッダー１２３、凝縮液滞留部１２４、冷媒流路１２５、および放熱フィン１２１によって構成されている。放熱部１２の基本構造は自動車などに用いられているラジエータに似ている。ただし、本発明の実施形態においては、放熱の外に冷媒蒸気の凝縮が行なわれるので、冷媒Ｒの凝縮に効率のよい放熱ができるようすることが肝要である。蒸気流入口１２６は、図１２ＢのＦ−Ｆに沿った断面図に示すように、放熱部ヘッダー１２３に直角に接続することが良好である。この結果、放熱部ヘッダー１２３に流入する蒸気は、放熱部ヘッダー１２３の背面側の壁に衝突し、放熱部ヘッダー１２３に充満するように蒸気を拡散させることができる。これにより、放熱部ヘッダー１２３の内部の圧力を一定にすることができる。従って、冷媒流路１２５の流量を均一化することができる。
【００２９】
冷媒流路１２５は、放熱の観点からはなるべく細いほうが良好であるが、凝縮した冷媒Ｒの流れの観点からすると、ある程度の太さが必要となる。本発明の実施形態においては、凝縮は重力に依存した液相の排除能力に頼っている。理想的には、凝縮した冷媒Ｒが流路内壁に薄膜の液相を形成し、重力により凝縮液滞留部１２４側に排出される。まれに、凝縮した液相に蒸気が気泡となってトラップされることがあり、このような場合には、液相の排出に抵抗となる。このような事態を避けるためには、なるべく流路幅を最低限とする。有機冷媒を用いた場合には、流路内面の幅を０．３ｍｍ以上、放熱性の観点から同じく流路内面の幅を１．０ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【００３０】
受熱部１１と放熱部１２とを接続する蒸気管１３及び液体管１４には、柔軟な配管材料を使うことが望ましい。高分子系の材料は柔軟性が高いが、透水性がある。このため、冷媒Ｒが配管壁面を通じて漏出してしまう。柔軟な接続を実現するためには、蒸気管１３及び液体管１４の材料として、ブチルゴムのように透水性の小さな高分子材料や、金属薄膜が積層された高分子配管材料や、蛇腹形状を有する柔軟性のある金属配管材料などの採用が良好である。受熱部１１と放熱部１２とに蒸気管１３あるいは液体管１４とを接続する位置に、流入・流出ノズルを設けることが好ましい。この流入・流出ノズルに蒸気管１３あるいは液体管１４を接続する。接続部と蒸気管１３あるいは液体管１４との界面を通じても冷媒Ｒの漏出の恐れがある。このため、接続部は接着材を用いて封止することが望ましい。受熱部１１と放熱部１２との接続には、金属材料を用いた蒸気管１３および液体管１４を用いることも可能である。金属材料を使うことで、冷却器内部の気密性を向上させることができ、冷媒の漏出を防ぐ効果が得られる。柔軟性を維持するために、薄い金属膜と上記高分子材料との積層構造にある配管材料を用いても同様の効果が得られる。蛇腹状になった金属配管でも、柔軟性を持った接続が可能である。蒸気管１３は、図５に示すように、受熱部１１から鉛直上方に引き出され、略水平に曲折された後、放熱部１２に接続されている。このような構成によれば、蒸気管１３の内部で凝縮した冷媒が蒸気管１３に沿って逆流するのを防止することができる。すなわち、この蒸気管１３は、冷媒の圧力が上流側から下流側に向かって低下していくため、その最下流部で冷媒が凝縮しやすい。そのため、蒸気管１３の最下流部を略平行に形成して凝縮した液層の逆流を防止すれば、相変化冷却器１０のより安定した運転が可能となる。
【００３１】
接続部の封止が完了したら、冷媒注入口（不図示）を通じて、冷媒の注入と、内包空気の排除を行う。空気を排除することにより、相変化冷却器１０の内部は冷媒Ｒの飽和蒸気圧となる。冷媒Ｒの選定の一つの条件として、飽和蒸気圧はなるべく１気圧に近いものが好ましい。飽和蒸気圧が１気圧から大きく外れた場合は、相変化冷却器１０の強度を大きくする必要が生じるためである。例えば、フッ素系冷媒の一種であるデュポン社製のＶｅｒｔｒｅｌ（商標）は大気圧での沸点が５５℃で、常温での飽和蒸気圧が約３０ｋＰａである。電子機器の冷却を考えると、Ｖｅｒｔｒｅｌは、常温での大気圧との差がそれほど大きくなく、動作時においてもほぼ２気圧以下に保つことができるため、本発明の実施形態による相変化冷却器１０の冷媒として良好である。
【００３２】
次に、本発明の実施形態による相変化冷却器１０の作用効果について説明する。受熱部１１の内部で冷媒Ｒが沸騰すると、発生した蒸気は液相に比べて比重が小さいため、重力方向上部に位置する蒸気流出口１１２ａへと向かう。蒸気管１３は緩やかに角度を変えることで、放熱部１２へ向けて低抵抗に蒸気を運ぶ。放熱部１２の上部であって冷却風が排出される側の面に蒸気管１３が接続されていることは、放熱部１２の性能確保にとって良好な条件である。放熱部１２に導入された蒸気はその内部を上から下へと流れ、液に戻る。液に戻った冷媒Ｒは放熱部１２の下部に滞留し、液体管１４を図５に示す矢印方向に進行して受熱部１１へと戻っていく。
【００３３】
蒸気として蒸気流入口１２６より放熱部１２に到達した冷媒Ｒは、冷媒流路１２５を通過しながら凝縮する。放熱フィン１２１間を流れる冷却風により、凝縮熱が冷媒Ｒから冷媒流路１２５壁、放熱フィン１２１へと熱が伝わり、放熱される。凝縮した冷媒Ｒは、相対的に重力方向下部にある凝縮液滞留部１２４へと流れていく。凝縮液滞留部１２４に滞留する液量は、放熱部１２の上部からの蒸気の流入の妨げにならないように決定される。凝縮液滞留部１２４の凝縮した冷媒Ｒは、重力により受熱部１１にそれぞれ供給される。
【００３４】
本発明の実施形態による集中放熱の構造により、１台の軸流ファン１２２による冷媒Ｒの冷却が可能となっている。従って、冷却構造が単純で、消費電力の削減が可能となっている。例えば、図１３に示すように、２つのＣＰＵ（ＣＰＵ０、ＣＰＵ１）を搭載したワークステーションに相変化冷却器１０を採用した場合（図１３における「相変化」）は、熱抵抗が倍増してしまう水冷式で冷却する場合（図１３における「水冷」）と比較すると、熱抵抗の増加が低く維持できる。ＣＰＵなど演算素子を搭載したサーバーやパソコン、スーパーコンピューターなどでも同様の効果が得られる。冷却対象はＣＰＵなどの演算素子に限られず任意の発熱体であればよい。複数の発熱体が搭載されるルーターなどのネットワーク機器や、複数の発光素子や光デバイスをもつＬＥＤプロジェクターやＬＣＤやＤＭＤを活用するプロジェクターなどに相変化冷却器１０を採用しても同様の効果が得られる。
【００３５】
しかも、本実施形態では、放熱部１２の内部は仕切りがない一体構造となっているので、一方の受熱部１１が熱を受ける電子部品Ｄの発熱量が少ないときには、他方の受熱部１１が熱を受ける電子部品Ｄの冷却のために放熱部１２全体を使うことができる。これにより、熱抵抗が低減するという効果が得られる。
【００３６】
また、本実施形態では、各蒸気管１３が、いずれも放熱部１２における冷却風が排出される側の面に接続されている。このような構成によれば、冷却風の排出方向に略直交する方向への放熱部１２の厚みを抑制することができ、放熱部１２の薄型化を図ることができる。
【００３７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る相変化冷却器２０について説明する。図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、相変化冷却器２０では、冷媒Ｒの受熱部１１への供給能力を維持するために、受熱部１１を互いに接続するバイパス管２１が設けられている。電子機器内部の発熱電子部品Ｄの稼働率により発熱量が変化する可能性は大きい。バイパス管２１を設けることにより、ある一つの電子部品Ｄの稼働率が高い状態の場合、液は液体管１４からのみでなく、近接する受熱部１１からも供給される。
【００３８】
このように複数の受熱部１１の間を直接接続するようにバイパス管２１が接続されていると、液相冷媒Ｒの供給性能が向上し、例えば急激な発熱量の変化時に良好な冷却性能を維持できる。バイパス管２１を柔軟な材料で作成することにより、複数の受熱部１１をそれぞれの冷却対象電子部品Ｄに適切に実装することができ、冷却に重要な接地条件の管理を個別に行える。
【００３９】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る相変化冷却器３０について説明する。図１５に示すように、相変化冷却器３０では、各蒸気管１３及び各液体管１４の長さが受熱部１１ごとに異なっている。本発明の実施形態に係る相変化冷却器３０が適用される電子機器などでは、発熱電子部品Ｄの設置位置は電気など冷却以外の観点からの要求も重要である。電子部品Ｄの位置、放熱位置が決められており、各受熱部１１と放熱部１２との距離が異なる場合、蒸気管１３と液体管１４を必要に応じて延伸することにより、冷却性能を維持することができる。また、第２実施形態のバイパス管２１との併用も好ましい。
【００４０】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る相変化冷却器４０について説明する。図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、相変化冷却器４０では、２つの受熱部１１に接続している蒸気管１３が、放熱部１２を構成する相対向する２つの面、より詳細には冷却風が排出される面と略直交する２つの面に対してそれぞれ接続されている。
【００４１】
このように各蒸気管１３を放熱部１２の短辺側の側面にそれぞれ接続した場合、各蒸気管１３及び各液体管１４が冷却風の通風経路上にないため、通風効率のアップを図ることができ、冷却性能を向上させることができる。
【００４２】
また、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、相変化冷却器４０では、液体管４１の一端側が放熱部１２に１箇所で接続される。一方、液体管４１の他端側が分岐して各受熱部１１にそれぞれ接続されている。言い換えると、液体管４１は、放熱部１２に１箇所で接続される一端部と、各受熱部１１にそれぞれ接続される分岐した複数の分岐部を有する他端部とを有する。
【００４３】
重力方向下方に設置される液体管４１は、電子機器内部で、電子部品Ｄの実装領域の近くに設置することが必要になる可能性が高い。この領域に配置される液体管４１の本数を少なくすることは、高密度に電子部品Ｄが実装されているような状態において好ましい。
【００４４】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る相変化冷却器６０について説明する。図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、相変化冷却器６０では、１つの受熱部６１と１つの放熱部１２とが、蒸気管１３及び液体管１４を介して互いに接続されている。
【００４５】
高密度に発熱電子部品Ｄが実装されている電子機器の内部では、受熱構造の一体化が望ましい場合がある。それぞれの蒸気管１３は、対応する個別の電子部品Ｄの発熱量に応じて、その径が決定されることが望ましい。また、受熱部６１における電子部品Ｄの近傍に蒸気流出口を設けることにより、圧力損失の低い冷媒循環系が形成され、効率的な蒸気排出すなわち電子部品Ｄの冷却が達成される。また、受熱部６１が１個であることにより、液体管４１の数も減らすことができるので、構造が簡略化されるだけでなく、使用時における冷媒漏出のリスクの低減にも寄与する。
【００４６】
この出願は、２０１０年３月２９日に出願された日本出願特願２０１０−０７６１２６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明による相変化冷却器は、コンピュータやサーバー、ネットワーク機器、パソコンといった電子機器の冷却に適用できる。また、プロジェクターやディスプレイといった光学系装置の冷却用途にも適用可能である。【００４８】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１１       受熱部
１２  放熱部
１３  蒸気管
１４  液体管
２１  バイパス管
１１３ｂ 流動制御突起
１２１ 放熱フィン
１２２   軸流ファン
１２３   放熱部ヘッダー
１２５      冷媒流路
Ｄ  電子部品
Ｋ  基板
Ｎ      ネジ
Ｒ      冷媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【国際調査報告】
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